خلاصة:

تبحث هذه المقالة في الوضع الراهن والتطورات البحثية للمواد المعززة بألياف الكربون في تخزين الهيدروجين وأغلفة بطاريات السيارات الكهربائية في عالم مركبات الطاقة الجديدة. وهو يقيم تصنيفات واتجاهات أسطوانات الغاز عالية الضغط ومرفقات البطاريات، ويتعمق في إيجابيات وسلبيات مواد ألياف الكربون في استخداماتها الحالية، ويتوقع تطبيقات وآفاق هذه المواد المتقدمة في المشهد المستقبلي لمركبات الطاقة الجديدة.

أصبح التحول نحو المواد خفيفة الوزن لتقليل الوزن الإجمالي استراتيجية رئيسية في تعزيز الوزن الخفيف لمركبات الطاقة الجديدة. أدى التقدم في علم المواد إلى اعتماد العديد من مركبات الألياف خفيفة الوزن، بما في ذلك الزجاج والمواد المقواة بألياف الكربون، في صناعة سيارات الطاقة الجديدة.

تعد مركبات ألياف الكربون، المشهورة بكثافتها المنخفضة وقوتها العالية ومقاومتها للتآكل وتحملها للتعب، من بين مركبات الألياف عالية الأداء الأكثر تطبيقًا على نطاق واسع في قطاع السيارات. تشمل تطبيقاتها العديد من أنظمة المركبات، بما في ذلك هيكل السيارة والمحرك وناقل الحركة والشاسيه، مما يعزز أداء السيارة وسلامتها.

01 نظرة عامة على ألياف الكربون

عادة لا يتم استخدام ألياف الكربون بشكل مباشر ولكن كتعزيز، مع دمجها مع الراتنج أو المعدن أو المصفوفات الخزفية لتشكيل مركبات ألياف الكربون. توفر هذه الألياف مزايا كبيرة: (1) كثافة منخفضة وقوة عالية، بكثافة تبلغ 1.5~ فقط2.0 جم/سم3، نصف تلك الموجودة في سبائك الألومنيوم الخفيفة، و4~5أضعاف قوة الفولاذ و6 إلى 7 أضعاف قوة الألومنيوم؛ (2) مقاومة درجات الحرارة العالية والمنخفضة، والحفاظ على السلامة في الأجواء غير المؤكسدة حتى 3000 درجة مئوية وعدم الهشاشة عند درجات حرارة الأمونيا السائلة؛ (3) موصلية كهربائية ممتازة، مع مقاومة تبلغ 775 أوم · سم للألياف الكربونية ذات معامل عالٍ و1500 أوم · سم للألياف عالية القوة عند 25 درجة مئوية؛ (4) مقاومة التآكل الحمضي، تحمل حمض الهيدروكلوريك المركز، حمض الفوسفوريك، حمض الكبريتيك، إلخ.

يمكن تصنيف ألياف الكربون على أساس نوع السلائف، والخواص الميكانيكية، وحجم حزمة الخيوط. من الناحية العملية، يعتمد التصنيف في كثير من الأحيان على قوة الشد والمعامل، مع الأنواع عالية القوة التي تبلغ قوتها 2000 ميجا باسكال ومعاملها 250 جيجا باسكال، وأنواع المعاملات العالية التي تتجاوز 300 جيجا باسكال في المعامل، والأنواع فائقة القوة التي تتجاوز 4000 ميجا باسكال في القوة، و أنواع ذات معاملات عالية جدًا تتجاوز 450 جيجا باسكال في المعامل.

02 حالة تطبيق مركبات ألياف الكربون في مجال السيارات

أدى الضغط من أجل الطاقة الخضراء وتدابير توفير الطاقة إلى رفع مستوى تخفيف الوزن في السيارات باستمرار. وفقًا لجمعية الألومنيوم الأوروبية، فإن تخفيض وزن السيارة بنسبة 10% يمكن أن يؤدي إلى تحسن بنسبة 6% إلى 8% في كفاءة استخدام الطاقة وانخفاض بنسبة 10% في انبعاثات الملوثات لكل مائة كيلومتر. بالنسبة لمركبات الطاقة الجديدة، فإن تقليل الوزن بمقدار 100 كجم يمكن أن يؤدي في المقابل إلى زيادة نطاقها بحوالي 6% إلى 11%.

لقد وجدت مركبات ألياف الكربون، المعروفة بوزنها الخفيف وقوتها العالية، تطبيقات واسعة النطاق في المركبات، مما أدى إلى تعزيز أدائها وسلامتها عبر أنظمة مختلفة، بما في ذلك هيكل السيارة والمحرك وناقل الحركة والهيكل.

03

تطبيقات مركبات ألياف الكربون في تخزين الهيدروجين

بفضل قوتها العالية، ومقاومتها للتآكل، ومقاومة التعب، وتثبيط اللهب، واستقرار الأبعاد، أصبحت مركبات ألياف الكربون بدائل مثالية لتخزين الهيدروجين في مركبات الطاقة الجديدة ومرفقات بطاريات الطاقة خفيفة الوزن.

3.1 سيناريوهات تطبيق أسطوانة الهيدروجين ذات الضغط العالي

يعد استخدام أسطوانات الغاز عالية الضغط لتخزين الهيدروجين وإطلاقه طريقة معتمدة على نطاق واسع. اعتمادًا على المادة، يتم تصنيف هذه الأسطوانات إلى أربعة أنواع: مصنوعة بالكامل من الفولاذ، وبطانة فولاذية مغلفة بالألياف، وبطانة معدنية مغلفة بالألياف، وبطانة بلاستيكية مغلفة بالألياف. تقدم هذه الهياكل والمواد المتنوعة تكاليف مختلفة ومستويات نضج وسيناريوهات تطبيق مختلفة.

في الوقت الحالي، تعد المواد المعززة بألياف الكربون هي الخيار الرئيسي للمواد لتصنيع أسطوانات تخزين الهيدروجين عالية الضغط في المركبات، على الرغم من مواجهة التحديات في مجال التكنولوجيا والتكلفة.

04

تطبيقات مركبات ألياف الكربون في حاويات البطارية

لقد كان استقرار وسلامة بطاريات الطاقة الجديدة دائمًا من النقاط المحورية في الصناعة. يجب أن تلبي حاويات البطارية، الضرورية لحماية وحدات البطارية من التأثيرات الخارجية، متطلبات مقاومة التآكل، والعزل، والمرونة في درجات الحرارة. عادة ما تكون حاويات البطاريات التقليدية مصنوعة من سبائك الصلب أو الألومنيوم. ومع ذلك، مع التقدم التكنولوجي، بدأ استخدام مواد خفيفة الوزن مثل مركبات ألياف الكربون، مما يوفر إمكانيات جديدة لتطوير مركبات الطاقة الجديدة.

05

خاتمة

تعتبر أسطوانات الغاز ذات الضغط العالي ذات البطانات المعدنية والبلاستيكية المغلفة بالألياف هي السائدة في تكنولوجيا التصنيع الحالية. تُظهِر ألياف الكربون، بخصائصها الاستثنائية، إمكانات كبيرة في إنتاج أسطوانات الغاز ذات الضغط العالي ومرفقات البطاريات. ومع ذلك، ونظرًا لقيود التكلفة، لم يتم بعد تطبيق هذه المواد المتقدمة على نطاق واسع في حاويات البطاريات. مع تطور تقنيات الطاقة الجديدة وانخفاض تكلفة تطبيقات المواد، من المتوقع أن تلعب مركبات ألياف الكربون دورًا مهمًا في المستقبل.